Esercitazione per l’esame FE Chemical: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 24 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Bilancio di massa

Regime stazionario
entrata = uscita
Bilancio totale
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Bilancio per componente
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Evaporatore
F·xF = P·xP, W = F − P

Bilancio energetico

Calore sensibile
Q = ṁ·cp·ΔT
Calore latente
Q = ṁ·hfg
Miscelazione
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Acqua
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Legge dei gas ideali

Legge dei gas ideali
pV = nRT
Costante dei gas
R = 8,314 J/(mol·K)
Legge combinata dei gas
p1V1/T1 = p2V2/T2
Moli
n = m/M
Temperatura
T[K] = T[°C] + 273,15

Stechiometria

Moli
n = m/M
Concentrazione
c = n/V
Rapporto molare
usa i coefficienti dell’equazione bilanciata
Reagente limitante
quello che si esaurisce per primo
Resa percentuale
effettiva / teorica × 100%

Metodo

  1. Scrivi e bilancia l’equazione chimica.
  2. Converti la massa data in moli: n = m/M.
  3. Usa i coefficienti come rapporto molare per trovare le moli della sostanza che ti interessa.
  4. Riconverti in massa con m = n·M. Con due reagenti, trova prima il reagente limitante.

Equilibrio chimico

Costante di equilibrio
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabella ICE
Iniziale, Variazione (×coefficiente), Equilibrio
Equazione di secondo grado
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Metodo

  1. Scrivi Kc con i prodotti al numeratore e i reagenti al denominatore, ciascuno elevato al proprio coefficiente.
  2. Imposta una tabella ICE: Iniziale, Variazione (multipli di x secondo i coefficienti), Equilibrio.
  3. Inserisci le espressioni all’equilibrio in Kc e risolvi per x.
  4. Controlla se x è abbastanza piccolo per un’approssimazione; altrimenti risolvi l’equazione di secondo grado.

Calorimetria ed entalpia

Calore
q = m·c·ΔT
Acqua
c = 4,18 J/(g·°C)
Calorimetro
calore ceduto = calore assorbito
Entalpia di reazione
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

Cinetica chimica

Primo ordine
ln(CA/CA0) = −kt
Tempo di dimezzamento (primo ordine)
t½ = ln 2/k
Secondo ordine
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Due temperature
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Tempo spaziale
τ = V/Q
CSTR, primo ordine
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, primo ordine
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversione dal volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR uguali in serie
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Scambiatori di calore (LMTD)

Potenza termica
Q = U·A·ΔTlm
Differenza di temperatura media logaritmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Bilancio di una corrente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

Conduzione del calore

Legge di Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistenza conduttiva
R = L/(kA)
Resistenza convettiva
R = 1/(hA)
Resistenze in serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Trasmittanza U
U = 1/(ΣR·A)

Attrito nei condotti e perdite di carico

Numero di Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Regime di moto
laminare sotto Re ≈ 2000, turbolento sopra Re ≈ 4000
Velocità media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Perdite localizzate
hm = ΣK·V²/(2g)
Valori tipici di K
imbocco 0,5, sbocco 1,0, curva a 90° ≈ 0,3
Caduta di pressione
Δp = ρ·g·hf
Due serbatoi aperti
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Sbocco libero
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompe e potenza delle pompe

Potenza idraulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potenza all’albero
Pshaft = Ph/ηpump
Potenza elettrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Prevalenza della pompa
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Perdite dell’impianto
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Esercizi

1.Bilancio di massaMedia
MiscelatoreCorrente 1900 kg/h · 40% zuccheroCorrente 2ṁ₂ = ? · 20% zuccheroProdotto30% zucchero

Quanta corrente 2 bisogna aggiungere ogni ora alla corrente 1 perché il prodotto miscelato contenga il 30% di zucchero? Trova ṁ2.

ṁ1 = 900 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.Bilancio di massaDifficile
EvaporatoreAlimentazione F4600 kg/h · 8% NaOHProdotto PP = ? · 60%Vapore W (acqua pura)0% NaOH

Un evaporatore concentra una soluzione di NaOH facendo evaporare acqua pura. Trova la portata di prodotto P in kg/h.

F = 4600 kg/hxF = 8 %xP = 60 %
P = kg/h
3.Bilancio energeticoMedia
lato caldolato freddoolio leggero · 150 °C70 °Cacqua · 30 °Ct = ? °C

Il olio leggero caldo raffredda acqua in uno scambiatore controcorrente senza perdite di calore. Trova la temperatura di uscita dell’acqua tout.

ṁh = 0,5 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.Bilancio energeticoDifficile
lato caldolato freddoetanolo · 170 °C120 °Cacqua · 10 °C85 °C · ṁ = ?5% perso

Il etanolo caldo riscalda acqua in uno scambiatore che perde verso l’ambiente il 5% del calore ceduto dalla corrente calda. Trova la portata d’acqua ṁc necessaria.

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 120 °Ct: 10 → 85 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)perdita = 5 %
ṁc = kg/s
5.Legge dei gas idealiMedia
480 g di CO₂P = 100 kPaT = 75 °CV = ?

Quale volume V occupano 480 g di CO₂ a 100 kPa e 75 °C? Trattalo come gas ideale.

m = 480 gM = 44,01 g/molP = 100 kPaT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.Legge dei gas idealiDifficile
Stato 1Stato 2

Una quantità fissa di N₂ passa da 150 kPa, 20 L, 40 °C a 300 kPa e 150 °C. Trova il nuovo volume V2.

P1 = 150 kPaV1 = 20 LT1 = 40 °CP2 = 300 kPaT2 = 150 °C
V2 = L
7.StechiometriaMedia
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

30 g di CH4 e 20 g di O2 reagiscono secondo CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. Quale massa m di CO2 si può formare?

M(CH4) = 16,04M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.StechiometriaDifficile
m(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

Nella reazione 2Na + Cl2 → 2NaCl, 10 g di Na reagiscono completamente (gli altri reagenti in eccesso) e si raccolgono 20,84 g di NaCl. Trova la resa percentuale Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molreale: 20,84 g
Y = %
9.Equilibrio chimicoMedia
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

0,2 mol/L di H₂ e 0,2 mol/L di I₂ vengono messi in un recipiente e reagiscono: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, con Kc = 54. Trova la concentrazione all’equilibrio [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 54
[HI] = mol/L
10.Equilibrio chimicoDifficile
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ si decompone: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, con Kc = 0,08 alla temperatura di reazione. Un recipiente contiene all’inizio solo 0,8 mol/L di PCl₅. Trova la concentrazione all’equilibrio [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
11.Calorimetria ed entalpiaMedia
Tf​ = ?Alluminiom = 200 gT = 130 °Cc = 0,897 J/(g·°C)Acquam = 250 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

Un blocco di alluminio da 200 g (c = 0,897 J/(g·°C)) a 130 °C viene immerso in 250 g di acqua (c = 4,18 J/(g·°C)) a 19 °C in un recipiente isolato. Trova la temperatura finale Tf.

mmetal = 200 gcmetal = 0,897 J/(g·°C)Tmetal = 130 °Cmwater = 250 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.Calorimetria ed entalpiaDifficile
H2C4​H10​ + 13O₂reagenti8CO₂ + 10H₂O(l)prodottiΔH° = ?

Usa le entalpie standard di formazione per trovare ΔH° della reazione 2C4H10 + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l).

ΔH°f(C4H10) = −125,6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.Cinetica chimicaMedia
t (min)X (%)t = ?99%

Una reazione del primo ordine in un reattore batch ha k = 0,1 min⁻¹. Quanto tempo serve per raggiungere una conversione del 99%? Trova t.

k = 0,1 min⁻¹X = 99 %
t = min
14.Cinetica chimicaDifficile
Tk40 °C0,0155 °C?

Una reazione ha una costante cinetica di 0,01 min⁻¹ a 40 °C e un’energia di attivazione di 75 kJ/mol. Trova la costante cinetica k2 a 55 °C.

k1 = 0,01 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 55 °CEa = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Media
Q = 5 L/minX = 75%V = ?, k = 0,25 min⁻¹

Una reazione del primo ordine in fase liquida A → B con k = 0,25 min⁻¹ viene condotta in un reattore a flusso a pistone (PFR) alimentato a 5 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova il volume del reattore V in litri per una conversione di A del 75%.

Q = 5 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 75%
V = L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)Difficile
V = 200 LQ = 50 L/minX = ?

Una reazione del primo ordine in fase liquida (k = 0,25 min⁻¹) avviene in un CSTR da 200 L alimentato a 50 L/min. La densità è costante e il reattore è in regime stazionario. Trova la conversione X in percentuale.

V = 200 LQ = 50 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT170 °C135 °C25 °C55 °CΔT₁ΔT₂equicorrente

Uno scambiatore di calore equicorrente trasferisce 230 kW. La sua area di scambio è 20 m². Il fluido caldo si raffredda da 170 a 135 °C e il fluido freddo si riscalda da 25 a 55 °C. Trova il coefficiente globale di scambio U.

Q̇ = 230 kWA = 20 m²Th: 170 → 135 °CTc: 25 → 55 °C
U = W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT80 °C50 °C60,89 °C25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Olio caldo (1 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) si raffredda da 80 a 50 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 0,5 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 25 °C. Con U = 1500 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 80 → 50 °Cṁc = 0,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 25 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
19.Conduzione del caloreMedia
Vetro, k = 0,96100 mmMattone, k = 0,72150 mm15 °C-4 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 100 mm di vetro e 150 mm di mattone, con un’area di 12 m². Le facce esterne sono a 15 °C e -4 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 15 °CT3 = -4 °C
Q̇ = W
20.Conduzione del caloreDifficile
Polistirene espanso, k = 0,035200 mmCartongesso, k = 0,17150 mmstanza 22 °Cesterno 5 °CQ̇ = ?

Una parete di 200 mm polistirene espanso e 150 mm cartongesso separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a 5 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 200 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = 5 °C
Q̇ = W
21.Attrito nei condotti e perdite di caricoMedia
Q = 10 L/sD = 100 mmL = 200 mf = 0,03

Acqua scorre con una portata di 10 L/s in un tubo lungo 200 m con diametro interno di 100 mm. Usa il fattore di attrito di Darcy f = 0,03 e g = 9,81 m/s². Trova la perdita di carico per attrito hf.

Q = 10 L/sL = 200 mD = 100 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²
hf = m
22.Attrito nei condotti e perdite di caricoDifficile
K = 10Δz = ?L = 100 m, D = 200 mm, f = 0,0184× curva (K = 0,3)

Due serbatoi aperti sono collegati da un tubo lungo 100 m con diametro interno di 200 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,018. Le perdite localizzate sono: un imbocco a spigolo vivo (K = 0,5), 4 curve (K = 0,3 ciascuna), una valvola (K = 10) e lo sbocco nel serbatoio inferiore (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Quale dislivello Δz tra i peli liberi dei serbatoi dà una portata di 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1,0
Δz = m
23.Pompe e potenza delle pompeMedia
PQ = 25 L/sH = 80 m

Una pompa con rendimento del 70% eroga 25 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) con una prevalenza di 80 m. Usa g = 9,81 m/s². Trova la potenza all’albero Pshaft necessaria, in kW.

Q = 25 L/sH = 80 mη = 70%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
24.Pompe e potenza delle pompeDifficile
PQ = 40 L/sΔz = 10 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,02, ΣK = 8

Una pompa trasferisce 40 L/s di acqua (ρ = 1000 kg/m³) da un serbatoio inferiore aperto a una vasca superiore il cui pelo libero è 10 m più in alto. Il tubo è lungo 100 m, con diametro interno di 150 mm e fattore di attrito di Darcy f = 0,02; i coefficienti di perdita localizzata sommano a ΣK = 8 (imbocco e sbocco compresi). Usa g = 9,81 m/s². Trova la prevalenza H che la pompa deve fornire.

Q = 40 L/sΔz = 10 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 8
H = m

3Soluzioni

1.Bilancio di massa

Risposta: ṁ2 = 900 kg/h

Bilancio di massa stazionario: entrata = uscita per il totale e per ogni componente. I problemi di miscelazione combinano entrambi.

Bilanci

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
zucchero: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Risolvi per ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 900·(40 − 30)/(30 − 20) = 900 kg/h

Risposta

ṁ2 = 900 kg/h
2.Bilancio di massa

Risposta: P = 613,3 kg/h

Componente chiave: un componente che passa invariato in una sola corrente (qui il soluto) collega direttamente le portate. Poi il bilancio totale dà il resto.

Bilancio del soluto

F·xF = P·xP → P = 4600·8/60 = 613,3 kg/h

Risposta

P = 613,3 kg/h
3.Bilancio energetico

Risposta: tout = 36,7 °C

Bilancio energetico dello scambiatore: senza perdite, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Calore ceduto dalla corrente calda

Q = 0,5·2,1·(150 − 70) = 84 kW

Calore assorbito dall’acqua

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 84/(3·4,18) = 36,7 °C

Risposta

tout = 36,7 °C
4.Bilancio energetico

Risposta: ṁc = 1,109 kg/s

Bilancio energetico con perdite: calore ceduto = calore assorbito + calore perso.

Calore ceduto

Qh = 3·2,44·(170 − 120) = 366 kW

Calore che raggiunge l’acqua

Qc = (1 − 0,05)·366 = 347,7 kW

Portata d’acqua

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 347,7/(4,18·75) = 1,109 kg/s

Risposta

ṁc = 1,109 kg/s
5.Legge dei gas ideali

Risposta: V = 315,7 L

Legge dei gas ideali: PV = nRT, con n = m/M.

Moli

n = 480/44,01 = 10,91 mol
T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Volume

V = nRT/P = 10,91·8,314·348,1/100 = 315,7 L

Risposta

V = 315,7 L
6.Legge dei gas ideali

Risposta: V2 = 13,51 L

Legge combinata dei gas: per una quantità fissa di gas ideale, P1V1/T1 = P2V2/T2.

Temperature assolute

T1 = 313,1 K, T2 = 423,1 K

Legge combinata dei gas

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(150/300)·(423,1/313,1) = 13,51 L

Risposta

V2 = 13,51 L
7.Stechiometria

Risposta: m = 13,75 g

Stechiometria: un'equazione bilanciata conta particelle, non grammi. Converti la massa in moli con n = m/M, usa i coefficienti dell'equazione come rapporto molare, poi torna alla massa con m = n·M. Con due reagenti, il reagente limitante è quello che si esaurisce per primo e fissa quanto prodotto si forma.

Moli di ogni reagente

n(CH4) = 30/16,04 = 1,87 mol
n(O2) = 20/32 = 0,625 mol

Reagente limitante

1,87/1 = 1,87, 0,625/2 = 0,3125 → O2

Massa di prodotto

n(CO2) = 0,3125·1 = 0,3125 mol
m = 0,3125·44,01 = 13,75 g

Risposta

m = 13,75 g
8.Stechiometria

Risposta: Y = 81,98 %

Stechiometria: un'equazione bilanciata conta particelle, non grammi. Converti la massa in moli con n = m/M, usa i coefficienti dell'equazione come rapporto molare, poi torna alla massa con m = n·M. Con due reagenti, il reagente limitante è quello che si esaurisce per primo e fissa quanto prodotto si forma.

Resa teorica

n(Na) = 10/22,99 = 0,435 mol
m = 0,435·2/2·58,44 = 25,42 g

Resa percentuale

Y = 20,84/25,42·100 = 81,98%

Risposta

Y = 81,98%
9.Equilibrio chimico

Risposta: [HI] = 0,3144 mol/L

Equilibrio chimico: per aA + bB ⇌ cC + dD, la costante di equilibrio è Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con le concentrazioni all’equilibrio. Una tabella ICE (Iniziale, Variazione, Equilibrio) collega le quantità iniziali a quelle all’equilibrio tramite un’unica incognita x, moltiplicata per i coefficienti.

Espressione all’equilibrio

54 = (2x)²/(0,2 − x)²

Estrai la radice quadrata

7,348 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·7,348/(2 + 7,348) = 0,1572 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[HI] = 2x = 0,3144 mol/L

Risposta

[HI] = 0,3144 mol/L
10.Equilibrio chimico

Risposta: [PCl5] = 0,5839 mol/L

Equilibrio chimico: per aA + bB ⇌ cC + dD, la costante di equilibrio è Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), con le concentrazioni all’equilibrio. Una tabella ICE (Iniziale, Variazione, Equilibrio) collega le quantità iniziali a quelle all’equilibrio tramite un’unica incognita x, moltiplicata per i coefficienti.

Espressione all’equilibrio

0,08 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,08·x − 0,064 = 0

Risolvi l’equazione di secondo grado

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,064))/2 = 0,2161 mol/L

Concentrazione all’equilibrio

[PCl₅] = 0,8 − 0,2161 = 0,5839 mol/L

Risposta

[PCl5] = 0,5839 mol/L
11.Calorimetria ed entalpia

Risposta: Tf = 35,26 °C

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Bilancio termico

200·0,897·(130 − Tf) = 250·4,18·(Tf − 19)

Ricava la temperatura finale

Tf = (179,4·130 + 1045·19)/(179,4 + 1045) = 35,26 °C

Risposta

Tf = 35,26 °C
12.Calorimetria ed entalpia

Risposta: ΔH° = −5755 kJ

Calore ed entalpia: riscaldare una sostanza richiede q = m·c·ΔT. In un calorimetro il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito da quello freddo. La variazione di entalpia di una reazione si ricava dalle entalpie di formazione: ΔH° = ΣΔH°f(prodotti) − ΣΔH°f(reagenti), ciascuna moltiplicata per il proprio coefficiente.

Entalpia di reazione

ΔH° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Risposta

ΔH° = −5755 kJ

Negativo: la reazione libera calore (esotermica).

13.Cinetica chimica

Risposta: t = 46,05 min

Velocità di reazione: per una reazione del primo ordine −dC/dt = kC, quindi C = C₀·e−kt e il tempo di dimezzamento ln 2/k non dipende dalla concentrazione. Per una reazione del secondo ordine 1/C = 1/C₀ + kt. La costante cinetica aumenta con la temperatura secondo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Conversione e concentrazione

C/C0 = 1 − X = 0,01

Risolvi per il tempo

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,01)/0,1 = 46,05 min

Risposta

t = 46,05 min
14.Cinetica chimica

Risposta: k2 = 0,03731 min⁻¹

Velocità di reazione: per una reazione del primo ordine −dC/dt = kC, quindi C = C₀·e−kt e il tempo di dimezzamento ln 2/k non dipende dalla concentrazione. Per una reazione del secondo ordine 1/C = 1/C₀ + kt. La costante cinetica aumenta con la temperatura secondo Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Temperature assolute

T1 = 313,1 K, T2 = 328,1 K

Rapporto di Arrhenius

ln(k2/k1) = −(75000/8,314)·(1/328,1 − 1/313,1) = 1,317
k2 = 0,01·e1,317 = 0,03731 min⁻¹

Risposta

k2 = 0,03731 min⁻¹
15.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: V = 27,73 L

Reattori ideali, reazione del primo ordine (−rA = k·CA) in regime stazionario, con tempo spaziale τ = V/Q. Un CSTR è perfettamente miscelato, quindi l’intero volume reagisce alla bassa concentrazione di uscita: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). In un PFR ogni fetta di fluido reagisce come un piccolo reattore batch: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. A parità di conversione un CSTR richiede sempre più volume di un PFR.

Tempo spaziale

τ = ln(1/(1 − 0,75))/0,25 = 1,386/0,25 = 5,545 min

Volume

V = Q·τ = 5·5,545 = 27,73 L

Risposta

V = 27,73 L
16.Dimensionamento dei reattori (CSTR e PFR)

Risposta: X = 50 %

Reattori ideali, reazione del primo ordine (−rA = k·CA) in regime stazionario, con tempo spaziale τ = V/Q. Un CSTR è perfettamente miscelato, quindi l’intero volume reagisce alla bassa concentrazione di uscita: τ = X/(k·(1 − X)) e CA = CA0/(1 + k·τ). In un PFR ogni fetta di fluido reagisce come un piccolo reattore batch: τ = ln(1/(1 − X))/k e CA = CA0·e−k·τ. A parità di conversione un CSTR richiede sempre più volume di un PFR.

Tempo spaziale

τ = V/Q = 200/50 = 4 min, kτ = 0,25·4 = 1

Conversione

X = kτ/(1 + kτ) = 1/(1 + 1) = 50%

Risposta

X = 50%
17.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: U = 105,2 W/(m²·K)

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Differenze di temperatura agli estremi

In equicorrente entrambi gli ingressi sono allo stesso estremo, ed entrambe le uscite all’altro.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 170 − 25 = 145 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 135 − 55 = 80 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (145 − 80)/ln(145/80) = 109,3 K

Coefficiente globale

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 230000/(20·109,3) = 105,2 W/(m²·K)

Risposta

U = 105,2 W/(m²·K)
18.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 2,28 m²

Metodo LMTD: la differenza di temperatura tra le correnti cambia lungo lo scambiatore, quindi l’equazione usa la sua media logaritmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), dove ΔT₁ e ΔT₂ sono le differenze ai due estremi. A parità di temperature di ingresso e uscita, la controcorrente dà un ΔTlm maggiore dell’equicorrente.

Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2,5·30 = 75 kW
Tc,out = 25 + 75/(0,5·4,18) = 60,89 °C

Differenze di temperatura agli estremi

In controcorrente l’ingresso caldo è di fronte all’uscita fredda, e l’uscita calda di fronte all’ingresso freddo.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 80 − 60,89 = 19,11 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 50 − 25 = 25 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (19,11 − 25)/ln(19,11/25) = 21,93 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 75000/(1500·21,93) = 2,28 m²

Risposta

A = 2,28 m²
19.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 729,6 W

Resistenza termica: il flusso di calore stazionario attraverso strati in serie si comporta come una corrente in resistori in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) per uno strato conduttivo e R = 1/(hA) per una superficie con convezione. La caduta di temperatura in ogni strato è proporzionale alla sua resistenza.

Resistenze degli strati

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,96·12) = 0,008681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,72·12) = 0,01736 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 19/0,02604 = 729,6 W

Risposta

Q̇ = 729,6 W
20.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 25,17 W

Resistenza termica: il flusso di calore stazionario attraverso strati in serie si comporta come una corrente in resistori in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) per uno strato conduttivo e R = 1/(hA) per una superficie con convezione. La caduta di temperatura in ogni strato è proporzionale alla sua resistenza.

Resistenze in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·10) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,035·10) = 0,5714 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,17·10) = 0,08824 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W
ΣR = 0,6755 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (5))/0,6755 = 25,17 W

Risposta

Q̇ = 25,17 W
21.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: hf = 4,958 m

Moto nei condotti: il numero di Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue il moto laminare (Re sotto circa 2000) da quello turbolento (sopra circa 4000). L’attrito lungo un tubo comporta la perdita di carico di Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Raccordi, valvole, imbocco e sbocco aggiungono perdite localizzate hm = ΣK·V²/(2g). Tra le superfici libere di due serbatoi aperti l’equazione dell’energia dà Δz = hf + hm, compresa la perdita allo sbocco K = 1.

Velocità media

A = π·0,1²/4 = 0,007854 m²
V = Q/A = 0,01/0,007854 = 1,273 m/s

Altezza cinetica

V²/(2g) = 1,273²/(2·9,81) = 0,08263 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(200/0,1)·1,273²/(2·9,81) = 4,958 m

Risposta

hf = 4,958 m
22.Attrito nei condotti e perdite di carico

Risposta: Δz = 4,034 m

Moto nei condotti: il numero di Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue il moto laminare (Re sotto circa 2000) da quello turbolento (sopra circa 4000). L’attrito lungo un tubo comporta la perdita di carico di Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Raccordi, valvole, imbocco e sbocco aggiungono perdite localizzate hm = ΣK·V²/(2g). Tra le superfici libere di due serbatoi aperti l’equazione dell’energia dà Δz = hf + hm, compresa la perdita allo sbocco K = 1.

Velocità

V = Q/A = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s
V²/(2g) = 0,1859 m

Coefficienti di perdita

f·L/D = 0,018·100/0,2 = 9
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Perdita di carico totale

hf = 9·0,1859 = 1,673 m
hm = 12,7·0,1859 = 2,361 m
Δz = hf + hm = 4,034 m

Risposta

Δz = 4,034 m
23.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: Pshaft = 28,03 kW

Potenza di una pompa: la potenza ceduta all’acqua è la potenza idraulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’albero deve fornire di più perché la pompa ha delle perdite: Pshaft = Ph/ηpump, e il motore assorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La prevalenza H della pompa si ricava dall’equazione dell’energia: dislivello geodetico + altezza piezometrica + tutte le perdite distribuite e localizzate.

Potenza idraulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,025·80 = 19,62 kW

Potenza all’albero

Pshaft = Ph/η = 19,62/0,7 = 28,03 kW

Risposta

Pshaft = 28,03 kW
24.Pompe e potenza delle pompe

Risposta: H = 15,57 m

Potenza di una pompa: la potenza ceduta all’acqua è la potenza idraulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. L’albero deve fornire di più perché la pompa ha delle perdite: Pshaft = Ph/ηpump, e il motore assorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La prevalenza H della pompa si ricava dall’equazione dell’energia: dislivello geodetico + altezza piezometrica + tutte le perdite distribuite e localizzate.

Velocità

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s
V²/(2g) = 0,2611 m

Perdite di carico

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (13,33 + 8)·0,2611 = 5,571 m

Prevalenza della pompa

Entrambe le superfici sono aperte e praticamente in quiete, quindi i termini di pressione e di velocità si annullano.

H = Δz + hL = 10 + 5,571 = 15,57 m

Risposta

H = 15,57 m

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